科大學者發現利用損耗實現量子控制的新方法

(文章轉載自EurekAlert!,首次刊登於2022年1月24日)

2022-01-26
新研究發現,在有損耗的自旋軌道耦合參數空間中,量子態的演化與方向相關。圖:Dong Liu

新研究發現,在有損耗的自旋軌道耦合參數空間中,量子態的演化與方向相關。圖:Dong Liu

香港科技大學(科大)的研究人員發現一個新方法,利用粒子損耗這種在量子器材中通常需要避免的過程來控制量子態,有機會能為實現前所未有的量子態開闢新的途徑。

操控量子系統需微妙地掌控量子態,不能有絲毫不完美的運作出現,否則量子態中的有用信息會被擾亂。其中,有份組成系統的粒子出現損耗,乃掌控量子領域中面對最普遍而重大的挑戰。科學界一直透過孤立系統來避免這個問題。惟現在,科大的研究人員發現了一種能通過原子量子系統中的損耗來控制量子的方法。

這項發現近日於《自然物理》雜誌上發表。

負責這項研究的科大物理學Hari Harilela副教授曹圭鵬表示,研究結果顯示「損耗」有潛力成為量子控制的開關。

「量子力學的教科書指出,只要把系統從環境中有效分隔開來,系統便不會受粒子損失的影響。然而,不論是傳統系統抑或量子系統,開放的系統總是無處不在。而正如非厄米特物理學理論所形容,這樣的開放系統呈現了很多有違直覺,以及無法在厄米系統中觀察到的現象。」

含損耗的非厄米物理學在傳統系統中早已得到充分的探討,但直到最近,這種有違直覺的現象方在真正的量子系統中得被觀察得到且加以實現。在這次研究工作中,科大的研究人員改變了系統的參數,沿著特殊點(亦即非厄米系統中的奇異點)周圍建立了一個閉環路徑,發現了閉合路徑旋轉的方向(例如順時針或逆時針),能決定最終的量子狀態。

該團隊的另一位負責人,科大物理學系李贊恒教授表示:「這種跟手性有關的特性﹕即圍繞奇異點、由方向決定的量子態轉化,可以是量子控制的一個重要組成部分。我們現正站立於控制非厄米量子系統的起始點。」

該發現的另一項意義在於:兩個看似無關的機制,即非厄米物理(由損耗引起)和自旋軌道耦合,是如何產生相互作用。自旋軌道耦合(SOC)是很多有趣的量子現象,例如拓撲絕緣體背後的一個基本機制,其內部表現為絕緣體,但其表面的電子流動則與導體相似。儘管近年非厄米物理學領域方面取得多個重大進展,SOC機制卻僅於厄米系統中被廣泛研究,至於損耗在自旋軌道耦合量子系統實驗中的重要角色,人們卻所知甚少。加強理解這種非厄米系統下的SOC,對於開發新材料至關重要,但在凝聚態物理學的領域裏,這種知識仍未被充分掌握。

在是次研究中,研究人員首次實現了有耗散超冷原子自旋軌道耦合系統、充分描述了其量子態,並在非厄米物理學的基礎上示範了手性量子控制。這項發現為探索非厄米體系中的自旋軌道耦合物理奠定基礎,並突出了非厄米系統在實現、設定和掌控損耗與SOC這兩種基本機制的優秀能力,未來更將為研究人員提供新方法,在具有超冷原子的高度可控量子模擬器中,精確地模擬這些競爭機制。

這項研究由香港研究資助局、裘槎基金會及哈里萊拉基金會支持。

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